激光切割工艺中无线温度采集系统的设计毕业设计论文.doc

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1、吉林化工学院信息与控制工程学院毕业设计外文翻译粮食仓储无线测温系统的设计Design of wireless temperature measurement system for grain storage激光切割工艺中无线温度采集系统的设计 摘要本文提出了一种先进的工程材料的激光切割加工的无线温度采集系统的开发。该无线系统可以有效的进行自动温度监测。该系统包括硬件，软件，和一台计算机。该无线系统的包括电源子系统，传感器子系统，和一个主要基于无线射频（RF）技术的主节点系统。该系统的优点是简单的数据管理温度报警和所需文件的准确性。该集成无线温度传感器的有用性是在马来西亚理科大学机械工程学院制造

2、实验室进行测试的。在实验室收集的数据用来评估该系统的实用性。数据表明，该系统可以测量和监测在硬顶的的时间和距离的范围内的温度。这项工作是使用无线网络系统监控激光切削过程（WSN）温度的一个重要的开始。关键词：温度监测；无线传感器；激光切割；过程监控1 简介 该过程监控系统具有避免意外故障的优点，大大提高了系统的可靠性和可维护性。其获取更大的工艺参数也给出了更好的可视性和更好的决策权。这些系统通常与数据采集系统使用传感器测量相关的参数。传感器测得的数据通过有线通信传输给处理系统。然而，这些系统可以是非常昂贵和不灵活的。随着通信技术的发展，数据已经可以通过无线方式来传输。目前，无线技术，特别是无线

3、传感器网络综合了传感器技术，MEMS技术，无线通信技术，嵌入式计算技术、分布式信息管理技术，得到了迅速的发展。无线传输的重要优势就是简化了系统的布线和管理。否则，在一些危险，或者偏远的区域和地点不可能实现传感器的应用。更快的部署和安装各种各样的传感器，可以使多点测量，低成本，低功耗，小体积，和便携成为可能。 在工业上激光切割金属的发现和应用是由于其加工复杂的工件时可以非接触式加工，并且精度高，表面光洁度高，易于数控（CNC）。另外，这项技术已被用于先进的工程材料的研究，例如，钨，钛，陶瓷，铝合金，铬镍铁合金，钽，和金属基复合材料。激光切割要达到良好的切削性能涉及许多操作参数，如激光功率，切割速

4、度，频率，占空比，焦距，间隔距离，辅助气体压力，束喷嘴，和切割镜片。应该在切削过程中监测测这些参数，来控制切削的动作，以达到预期的切削效果。然而，目前的技术已被用来监测过程中切削是基于有线通信的，它缺乏灵活性。例如，为了满足要求需要部署固定的连线来供电和传输数据。另外，这个系统时面临着现有设施被用于新的加工业务改造的困难（必须独立的分析每个切削参数）。为了解决这个问题，无线监控系统应该应用在先进的金属材料激光切割的过程中。许多类型的无线技术发的展从简单的红外数据协议（IrDA）该协议利用红外光的短距离的点对点通信，短距离的无线个人区域网（WPAN）的一点对多点的通信，如蓝牙和ZigBee；中距

5、离的多跳无线局域网（WLAN）远程蜂窝电话系统，如全球移动/通用分组无线服务系统（GSM/GPRS）和码分多址（CDMA）。其中，红外，蓝牙，ZigBee，和GSM是为激光切割数据监测系统的无线数据遥测的潜在的选择。其中红外线是一种需要一个发射机和一个接收机的但总显得无许可的通信技术。ZigBee广泛应用于网络数据采集监测温度，气体，和其他。ZigBee是一个不耗电的系统，但它不能在大面积和远距离传输。蓝牙只能在10米的距离内传输数据。然而，高耗能使得蓝牙不是一种普通的数据传输方式。另一种无线传输技术是GSM。尽管GSM可以大范围和远距离传输数据，但是它花费很高。GSM通过SIM卡来传输数据，

6、SIM卡里的资金每发送一条信心将被运营商扣除相应的金额。为了达到检测的目的，我们的程序将持续发送数据。因此，GSM不是本设计的最佳选择。在433 MHz的射频（RF）传输在数据传输距离，系统功耗和单元尺寸方面拥有很大的优势。某些射频模块可以传输超过4公里的距离，并且只消耗很少的功率。在我们的应用中，433MHz的射频传输是最好的选择，应为其低功耗，低成本，维护方便，传输距离远。以前的研究人员选择了射频传输系统基于其传输距离远，成本低，可靠性高，低功耗，智能化，安装灵活，便于移动和小型化等优点。目前，马来西亚理工大学已经研究了激光切割技术在先进工程材料切割过程中的应用，使用的是有线的监控系统。在

7、本文中，我们初步研究一个激光切割工艺中无线温度监测系统的的设计，制造。这对于在激光金属切割过程中使用无线温度监测系统有重要的意义。2 无线温度监控系统的设计A 无线模块图2-1表示了一个无线传感器节点结构框图。该系统由两个主要部分：传感元件和数据采集系统。该传感节点是一个组合的多类型传感器，包括模数转换器（ADC），存储器，控制器，和射频收发器。无线收发器通常特定范围内的数据传输。无线传感器网络中的主要问题是电源使用。一般来说，电池是为数据处理计算和数据传输提供能量。由于该装置在实验室的应用，我们决定使用从电源的12V电源。 图2-1无线传感器节点结构框图B 传感器节点的硬件热电偶是一种结合了

8、两种不同的金属（铝，铬）的特殊的合金，产生的温度差引起的电压。K型热电偶是一个宽范围的温度检测器件，检测范围从-200C到1200C。它用于激光切削过程温度监测是非常合适的。K型热电偶残剩的是一个非常小的线性模拟输出啊信号，需要用放大器来把这个输出信号放大到05V的范围内。一种稳定的小信号放大器是AD595(如图二)。图2-2 AD595完整系统根据图2-2，铜（铝）和铁（镍铬）连接到AD595的14引脚和1引脚。AD595放大过程开始于247.3这个固定的增益 。从AD9595输出10mV/C的稳定的增益。该输出信号输入到微控制器中进行处理，然后以一个合适的范围发送出去。在这个系统中，可编程

9、微控制器（PSoC）选择从AD595输出的数据进行处理。工作在5V使PSoC芯片适宜应用在温度监测中。该应用程序由两部分组成：传送部分和接收部分。数据从传感器传出，单片机使用收发模块接收并处理数据后发送给接收机，然后该接收器接收数据。电源是在选择收发模块的共同因素。在这个项目中，我们使用了508射频模块它工作在433mhz下可以传输的距离超过500m。C PCB板的设计 一个设计适当的印刷电路板（PCB）对于传感器与接口的操作是非常重要的。印刷电路板是一个2层0.95毫米厚的标准的FR-4板，PCB的轮廓尺寸为89mm71毫米。下图（图2-3）是使用ORCAD Family Release 9

10、.2软件设计的PCB板。为了维持PCB板的布局LED，MAX232西片，和PSoC芯片都安装在PCB板的表面。 图2-3 PCB的设计视图D 节点软件本部分介绍如何通过软件的编程来开发系统。该系统被划分为几个部分：传感器的信号采集，传感器的数据显示，从传感器通过无线发送数据，接收数据进行处理，存储，并进行进一步的分析。图2-4表示了从传感器读取数据到接收机接收数据的过程。本项目采用K型热电偶传感器监测温度。热电偶在一个很小的范围呢输出一个很小的电压。AD595是热电偶冷端补偿放大器，可以放大输出电压的，可以与单片机连接如图2-5。AD595产生的输出电压为10mV/。最大输出电压为15V，但是

11、也要取决于电源的电压。AD595电路能使输出电压的范围保持在05V。为了获得和AD595输出相同的电压，图2-5中R2上的电压应该是其三倍。之所以使用这种方法是因为ADC的输出电压范围只能是05V。在控制部分，一个12位的ADC把输入的模拟电压信号进行转换，转换成表示温度的数字信号。所有的数据可以通过液晶显示模块显示，他们是通过一个通用异步接收发送模块（UART）发送的。每隔一分钟发送一次测试数据。 读取温度 开始 传感器数据 读取完毕 显示 发送数据 结束图2-4发射机节点软件实现流程图图2-5 AD595单片热电偶冷端补偿放大器图2-6显示的传感器数据库接收流程图。介绍了无线接收模块的系统

12、与计算机系统集成。在接收端，允许用户通过使用数据记录器软件监视传感器的数据，对数据进行处理和加工然后显示出来。原始数据可以以文本的形式存储和记录，可进一步的用其他的软件进行加工，如微软的EXCEL。数据显示保存数据数据排列 和处理 数据 接收待添加的隐藏文字内容1开始结束图2-6接收器节点的软件实现流程图E 数据记录软件数据记录软件是用来监测从传感器输出的数据的。该软件可以在微软Windows XP和微软的Windows Vista系统运行。可以在9600bps的速率下进行串行数据通信。它可以直接通过串口或市售的RS-232接口连接到PC的COM端口。它可以可以实时监测传感器输出的数据，并并把

13、数据以文本的形式记录在一个表格中，如表1所示 。表2-1 实验数据资料3实验方法 这个实验装置是由发射机和接收机组成的。发射部分由温度控制器，传感器节点（发射机），加热器，和支架构成，如图3-1所示。接收部分由接收模块和一个笔记本电脑组成，如图3-2所示。温度控制器可以工作在0-400C的范围内。温度传感器中的热电偶在加热器中可以把温度信号转变成电信号。支架是用来安装热电偶温度传感器和加热器的。温度控制器设置一定的温度，加热器加热，热电偶感受热信号并把温度信号以电信号的形式传送出去，温度信号经过处理后将在显示屏上实时显示。 数据发送模块 温度控制 加热器 图3-1实验装置的发射部分 计算机数据

14、接收模块 图3-2实验装置的接收器 在接收机中，发射机发射的数据由接收节点接收。在笔记本上使用数据库软件进行登陆和数据的存储。通过USB来连接数据接收模块和笔记本电脑。每隔一分钟在液晶显示器上实时显示温度的监测值。发射部分和接收部分的距离大约为5米，因此数据的无线传输距离也是在5米的范围内进行的。这个实验是在马来西亚理工大学的机械工程实验室里进行的。4 结果与讨论 图4-1显示了在一分钟内，5米的远的距离传输数据的结果。结果表明，该装置能够测量温度，并且能够把温度数据通过无线的方式传输到电脑上。在该试验中用的是型号为2020T的K型热电偶，并将测量的温度数据在数码管上显示出来。 图4-1温度与时间5结论 在本文中，对激光切割过程中的无线温度采集系统的硬件和软件提出了一种基于无线射频的设计方案。K型热电偶集成在切割过程中PSoC温度监控平台上。初步试验证明，所开发的模型是能够监测温度，并且设备有精度高，功耗低，尺寸小，成本低等优点。所设计的无线温度采集系统能满足目标提供实时温度数据的监控和远程查询的要求。这个装置还可以用于其他工业过程，如采矿，防御和生物医学。因此，未来的工作将集中在激光切割过程中多节点网络和实时控制。未来的研究范围包括数据分析，控制方案和复杂的网络设置等。